直流式旋流分离器的结构分析与优化

为研究中心体对直流式旋流分离器分离性能的影响,通过在分离器内部设置中心体,利用数值模拟的方法,对分离器内部旋流场、压力场、速度场及分离效率进行了分析。分析结果表明:增设中心体能够占据分离器内部分离死区,增强内部流场的稳定性,减少二次涡流的影响,尤其能够提高对微小液滴的分离效率;中心体直径的增大能够提高分离器的分离效率,当中心体直径与筒体直径比值大于0. 5时,液滴的分离效率显著提高,但也会造成较大的压降损失;通过研究不同气速下分离器分离效率与压降变化的规律,提出不同工况下中心体直径的取值范围,当入口气速高于10 m/s时,中心体直径与筒体直径比值取0. 5,当气速较低时,应结合现场工况对分离效率和压降的要求,增大中心体直径。所得结论可为直流式旋流分离器的优化设计及现场应用提供指导。     

入口含尘浓度变化对不同排气管结构PV型旋风分离器分离效率的影响

旋风分离器的入口浓度对其分离效率和压降有重要影响。在入口气流含尘浓度5～550 g/m3范围内,采用325目滑石粉,对直径500 mm的PV型旋风分离器进行了分离效率的实验测定,其中排气管的结构采用直筒型(A型),锥口型（B型）和大直筒型（C型）3种结构。实验结果表明,3种结构排气管旋风分离器分离效率均随入口浓度的增加而增加,当入口浓度大于150 g/m3时,分离效率上升幅度开始趋于平缓。旋风分离器入口浓度增加一方面使切向速度降低,分离能力下降,但另一方面使颗粒之间的团聚作用增大,惯性分离能力增大,分离效率增加,综合作用结果是分离效率提高,但逃逸颗粒的绝对量增大。实验结果也表明,排气管的结构对旋风分离器的效率影响较大,尤其是排气管直径,基于实验结果给出了入口浓度变化时旋风分离器分离效率的计算公式 ,该计算公式综合考虑了入口速度和排气管直径的影响。     

轴流式气-液旋流分离器分离特性

针对内部设有中心体的轴流式气-液旋流分离器,根据液滴在分离器内部旋流场的受力情况,建立分离器分离效率模型。实验发现,当液滴直径大于10 μm时,通过理论模型求得的液滴粒级分离效率与实验值吻合较好;在一定气速范围内,减小导流叶片出口角、增加中心体直径以及减小排气管直径均能够提高分离效率,即对于一定结构的分离器,存在相应的临界气速能够使分离器的分离效率达到最大值,随气速继续增大,分离效率呈下降趋势。根据实验结果提出分离器在不同工况下的设计准则,当气速高于临界气速时,为保证分离器分离效率,维持较低压降,设计导叶出口角为45°,中心体直径与筒体直径比为0.5,排气管直径与筒体直径比为0.85,分离器长度与筒体直径比为3。当入口气速低于临界气速时,可根据理论模型对分离器结构参数进行调整。     

基于蒙特卡洛算法的旋风分离器优化设计

为了提高旋风分离器的分离效率,基于蒙特卡洛算法建立了旋风分离器优化设计的数学模型。采用雷诺应力模型数值模拟旋风分离器内的强旋湍流流动,使用随机轨道模型单相耦合模拟固相颗粒的运动轨迹,从而计算分离效率。通过给定气体处理量、密度、黏度与颗粒范围等初始条件,进行旋风分离器优化设计。计算结果表明,蒙特卡洛算法能够对旋风分离器筒体直径、入口高度、入口宽度、内筒直径、内筒插入深度、直筒长度、总长度与排料口直径等参数的最优解进行快速搜索,实现旋风分离器高效分离的目的。     

旋风分离器的压力降计算

以应用中最为常见的筒锥型切流返转式旋风分离器为对象,考察了旋风分离器各结构尺寸及入口气速对压力降的影响,评价了若干压力降模型的适用性。结果表明,Stairmand压力降计算模型的均方差最小,但由于其忽略了几何放大对压力降系数的影响,限制了该压力降模型的适用性。利用相似与模化的分析方法,在对文献给出的实验数据进行回归分析的基础上,修正了Stairmand压力降计算模型,并将修正式的计算结果与实验测量值及另外多篇文献中给出的切流返转式旋风分离器在不同结构尺寸及操作气速共计150种工况下的实验数据进行对比,结果表明,修正式的精度更高,适用范围更广,可以满足旋风分离器设计计算的要求。     

两种不同入口形式的旋风分离器分离性能的对比研究

采用数值模拟和实验研究的方法比较了不同进气量下,相同入口面积的Stairmand型和轴流导叶式旋风分离器的压降、分离效率和内部流场。结果表明,进气量648 m3/h时,轴流导叶式分离器内切向速度小于Stairmand分离器,进气量1080 m3/h时,轴流导叶式分离器切向速度较大;本实验条件下,轴流导叶式分离器可以明显增加内部流场的对称性和稳定性,削弱环形空间纵向环流和短路流现象;Stairmand型分离器分离效率随进气量先增大后减小,轴流导叶式分离器的效率则一直增加,且进气量小于1080 m3/h时,Stairmand型分离器分离效率较高,进气量大于1080 m3/h时,轴流导叶式分离器分离效率较高;相同进气量下,轴流导叶式分离器压降基本小于Stairmand型分离器。     

旋风分离器的性能及设计

旋风分离器也许是最广泛应用的工业粉尘的分离装置。虽然计算旋风分离器压降及分离效率的许多方法已有所发展。但是,通用的设计仍然注重过去的经验,而不是采用解析的设计方法。在本文中,举出了五种计算压降和四种预测效率的理论,并将用各种方法计算的结果与取自文献上的实验数据进行比较,其中以一种计算压降和预测效率的方法最准确。最后,通过最佳化步序导出了旋风分离器的设计方法。这种方法能用来计算适应任一组设计参数的、理论上认为最佳的旋风分离器的尺寸,用这种方法设计的旋风分离器与高效旋风分离器的比较,在相同的操作条件下,证明其在理论上具有较高的效率。     

旋风分离器自然旋风长的影响因素

自然旋风长为旋涡尾端到排气管下口截面的轴向距离。旋涡尾端是复杂的湍流动力学现象,对旋风分离器内颗粒返混、壁面磨损、料腿结垢和堵塞有重要影响。目前,学者们将自然旋风长的影响因素主要归结为筒体直径、入口面积和排气管直径3个方面,忽略了其他结构参数及操作参数的影响,故经验公式的准确性及适用性较差。笔者对旋风分离器内部能量传递过程进行分析,阐述旋涡尾端的存在机理,并实例说明自然旋风长经验公式的局限性与不足,总结了筒体的高/径比、锥体尺寸等几何参数,以及入口速度、入口浓度等操作参数对自然旋风长的影响,以期为旋风分离器高度的设计优化提供参考。     

焦化塔顶油气分离用旋风分离器分离性能实验研究

为了研究颗粒入口数量对旋风分离器分离性能的影响,以延迟焦化工艺的焦化塔顶油气除焦为背景,在一套旋风分离器冷模实验装置上,研究了不同焦粉颗粒入口质量浓度和入口体积流量对单切、双切2种旋风分离器总分离效率、粒级效率和压降的影响。实验结果表明,2种旋风分离器的总分离效率均随入口质量浓度的增大而升高,随入口体积流量的增大先升高后降低;2种旋风分离器粒级效率均随颗粒粒径的增大先降低后升高;2种旋风分离器的压降均随入口体积流量的增大而升高,但随入口质量浓度的增大而降低。当入口体积流量为85 m³/h、入口质量浓度为30 g/m³时,单切旋风分离器最佳总分离效率在98.89%,压降为710 Pa,临界粒径为6μm;入口体积流量为95 m³/h、入口质量浓度为24 g/m³时,双切旋风分离器最佳总分离效率在99.16%,压降为1 110 Pa,临界粒径为3μm。     

高温高压旋风分离器的结构及性能

为了提高旋风分离器在高温高压条件下的承压耐温能力,根据工业应用成熟的PV型高效旋风分离器的结构,提出一种长圆切向入口、两端封头的压力容器式旋风筒体旋风分离器(简称容器式旋风分离器)。流场模拟分析表明,在相同入口气速下,容器式旋风分离器外旋流区的切向速度明显高于PV型旋风分离器,且器壁附近向下的轴向速度也略高于后者,中心涡核区轴向速度低于后者。用中位粒径为9.8 μm的滑石粉进行加尘冷模实验表明,相同气速下,容器式旋风分离器的分离效率较PV型旋风分离器的高约2%;相同压降下,前者的分离效率明显高于后者。容器式旋风分离器结构简单,结构强度和分离性能优良,可供高温、高压工况的分离操作使用。     

旋风分离器自然旋风长的实验研究

本文用五孔球探针详累测定了长筒型旋风分离器内的三维速度场，讨论了旋风分离器入口面积和芯管下口直径对分离器内旋转流衰减过程的影响。流场测定和加尘试验充分证明，旋风分离器自然旋风长大于Ａｌｅｘａｎｄｅｒ经验公式计算值。通过对实验结果进行分析，给出了一个新的计算自然旋风长的经验公式。新的经验公式可用于旋风分离器设计及分离效率的计算。     

旋风分离器的设计计算

给出标准型旋风分离器的最佳设计方法,既按临界粒径要求又按给足的压降确定旋风分离器的尺寸,还可以计及粉尘浓度对分离器尺寸的影响,从而给出高效旋风分离器的最佳结构。     

排气管偏置对PV型旋风分离器性能影响的研究

以Ф300mm、标准PV型旋风分离器为基准模型进行冷态对比实验，研究了排气管与筒体轴线偏心布置对PV型旋风分离器分离性能的影响。结果表明，排气管偏置是进一步提高PV型旋风分离器性能的有效措施之一。在适当的偏心矩和偏置方位下，不仅能降低压降，还可以显著提高分离效率。     

油页岩旋风分离器分离性能的试验研究

通过实验室冷态模型试验,测定PV型高效旋风分离器对油页岩颗粒的分离性能,考察入口气速、排气管直径对分离器分离效率的影响,并对比研究旋风分离器对油页岩和滑石粉两种不同物料的分离效率差别.结果表明:同一旋风分离器对不同物料的分离效率差别显著;对油页岩分离效率最高的分离器入口气速比对滑石粉分离效率最高的分离器入口气速低许多;...     

锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响

基于计算流体力学,采用RNGk-e湍流模型和离散相模型,研究了锥度在163~175°的天然气净化用旋风分离器的压力场、速度场分布以及分离效率。结果发现,升气管入口附近的部分区域速度和压力变化最大;锥度对筒体及小锥体区域几乎没有影响,而对升气管和大锥体的影响很大,但是并不改变流场的整体分布规律。随着锥度的增加,压降呈递减趋势。气体总速度与切向速度的变化趋势相同,均随锥度的增大而减小。在最小粒径为5μm时,不同锥度下旋风分离器的分离效率均为100%,但是在顶板附近有不同程度的颗粒堆积现象。锥度为163°和166°时,颗粒返混现象很严重,极易造成旋风分离器的顶板腐蚀穿孔,因此不适于工程实际。在剩余的3种结构中,速度变化相差小,从压降和体积方面考虑,172°的锥角结构最优,可较大程度减少材料耗损,节约制造成本。     

催化裂化装置沉降器粗旋结构设计探讨

通过FLUENT 6.2流体计算软件,采用雷诺应力模型(RSM)对直径500 mm、三种不同升气管/料腿直径组合的粗旋气相流场进行了数值模拟,分析了升气管和料腿长度改变以及尺寸放大对粗旋流场和性能的影响。模拟结果表明,粗旋流场同普通旋风分离器流场的区别主要在于轴向速度和升气管、料腿内的流场分布;升气管直径大于料腿直径的结构有利于减少由料腿排出的气体量,从而缩短粗旋排出的气体在沉降器内的停留时间,这是粗旋设计的关键;升气管、料腿长度改变对粗旋上下行气量分配有一定影响,其长度选取均存在最佳范围;尺寸放大后,粗旋流场基本上相似,下行气量占进气量的比率略有增大。     

PV型旋风分离器捕集效率计算方法的研究

应用相似理论对旋风分离器内气固相运动进行相似分析，得出了对分离性能有影响的一系列相似准数。根据大量实验数据的回归分析，关联了这些相似准数与粒级效率的关系，从而给出了ＰＶ型高效旋风分离器的粒级效率的计算公式。计算结果的精确度比实验结果的高。     

两级串联旋风分离器不同连接通道截面积对流场及性能的影响

阐述了两级串联旋风分离器的数值计算方法,通过采用ANSYS有限元软件建立了数值仿真模型,研究了3组即K7.85+K7.85组、K7.85+K6.28组、K7.85+K10.47组不同连接通道截面积的两级串联旋风分离器的静压、速度、压降、切割粒径变化规律。结果表明:两级串联旋风分离器的一、二级总分离效率随着连接通道截面积的减小而增大,K7.85+K10.47组的一、二级旋风分离器的压降值最大,压降比为4∶6,分离效率最佳;随着连接通道截面积的减小,其切割粒径逐渐减小,K7.85+K10.47组的一、二级旋风分离器的切割粒径最小,分离效率最优。     

轴流导叶式旋风分离器含蜡天然气气液分离特性模拟

利用Fluent软件对轴流导叶式旋风分离器天然气脱蜡进行模拟,得到分离器内部的静压、切向速度、轴向速度分布云图及分布曲线。在介质为空气和水情况下,对比了不同进气速度和液滴粒径下分离效率和压降的模拟结果及实验结果,吻合度较高,验证了两相模拟的准确性。研究了液滴粒径、进气速度、蜡滴质量浓度和导叶片数量对分离效率的影响。结果表明,在同一进气速度下,液滴粒径越大,分离效率越高;随着进气速度的增加,天然气中蜡滴的分离效率逐渐增大;当蜡滴质量浓度小于172.4 g/m~3时,分离效率随着质量浓度的增大而增大,但是随着质量浓度的继续增大,分离效率基本不变甚至减小;随着导叶片数量的增加,蜡滴分离效率降低,二次湍流强度变弱,压降减小。     

旋风分离器旋风长度的分析计算

认为当分离器外旋流中损耗的能量(即外旋流向内旋流传递的总能量)与内旋流旋转能量达到平衡,即内外旋流之间能量的传递达到稳定状态时,旋转气流到达旋涡尾端位置。由此,采用分离器内压降定量表征能量的损耗,推导得到旋风长度的计算公式。考察了排气管直径、入口尺寸、排气管插入深度、入口浓度、分离器长度、排尘口直径等因素对旋风长度的影响。将该公式计算结果与实验测量值进行对比,结果表明,该公式能较好地反映各因素对旋风长度的影响趋势,且数值差别较小。该公式通过旋风分离器能量传递的特性推导,具有明确的物理意义,适用性较强。